碳納米管于1991年首次被實驗發(fā)現(xiàn)，其電子遷移率遠超硅，被視為未來電子器件的理想溝道材料之一，有望推動下一代計算機芯片的革新。在實際芯片應用中，需要將大量結構完全相同的半導體性碳納米管以高度有序的方式排列在一起，以提高器件的一致性和性能。然而，直接生長的碳納米管手性結構隨機、金屬性和半導體性混雜、排列混亂，嚴重制約了碳納米管在集成電路中的應用。諾貝爾獎得主Richard E. Smalley教授曾在2001年提出碳納米管研究領域的一個重要難題：如何制備由單一手性碳納米管密排的晶體結構？然而，二十多年過去了，Smalley教授提出的目標一直未能實現(xiàn)。
針對以上挑戰(zhàn)，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心N07課題組張廣宇團隊與上海交通大學史志文團隊、武漢大學歐陽穩(wěn)根團隊、浙江大學金傳洪團隊通力合作，開發(fā)出一種全新的滑移自組裝生長技術，在原子級平整的六方氮化硼基底上實現(xiàn)了單一手性密排的碳納米管陣列的直接生長，形成碳納米管范德華晶體這一完美結構。
圖一：單一手性且平行密排碳納米管陣列形成范德華晶體
碳納米管晶體是通過一種納米顆粒催化的化學氣相沉積（CVD）生長技術實現(xiàn)的。實驗得到的碳納米管陣列均由同一手性的碳納米管組成，碳納米管之間相互平行、緊密排列，間距為0.33 nm。理論分析揭示，這種近乎完美的陣列結構的形成源自于碳納米管與六方氮化硼基底之間的超滑特性及碳納米管間的范德華相互作用。基于碳納米管陣列制造的場效應晶體管展現(xiàn)出了優(yōu)異的電學性能，載流子遷移率接近2,000 cm 2V –1s –1，電流承載能力大于6.5mA/μm，開關比可達10 7，這些指標不僅超越以往報道的結果，也優(yōu)于硅基電路發(fā)展路線圖中對未來數(shù)年的預期指標，展現(xiàn)了單一手性密排碳納米管陣列晶體在未來高性能碳基納米電子芯片中的巨大潛力。
相關成果在《Science》網(wǎng)站以First Release的形式提前在線發(fā)表。論文共同通訊作者為上海交通大學史志文教授、梁齊教授、陳佳俊博士、浙江大學金傳洪教授和武漢大學歐陽穩(wěn)根教授和中國科學院物理研究所張廣宇研究員，中科院物理所楊威特聘研究員也參與了該研究工作。本工作受到科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助。
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